風(fēng)電場分期開發(fā)中存在問題的探討

彭秀芳，李劍鋒

（江蘇省電力設(shè)計院，南京 211102）

0 引言

2011年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機組11409臺，裝機容量17630.9MW。累計安裝風(fēng)電機組45894臺，裝機容量62364.2MW，年增長率為39.4%。據(jù)統(tǒng)計，2011年全國共統(tǒng)計了10個省（市、自治區(qū)）的限電情況，統(tǒng)計覆蓋的風(fēng)電場總裝機容量達到18691MW，占全國風(fēng)電并網(wǎng)容量的42%[1]。經(jīng)歷一段高速發(fā)展期之后，風(fēng)電工程的開發(fā)建設(shè)將漸趨理性。

受資金和國家政策等多重因素的影響，目前國內(nèi)的陸上風(fēng)電場的申報容量通常都在50MW以內(nèi)。一般情況下，一個場址的總開發(fā)容量會超過50MW，為了解決申報容量在50MW以內(nèi)，又能充分開發(fā)該區(qū)域的風(fēng)能資源等問題，采取的普遍方法是分期開發(fā)。在分期開發(fā)中，由于整個風(fēng)電場場址區(qū)域面積較大，如何準(zhǔn)確地評估場址的風(fēng)能資源，從場址內(nèi)哪個區(qū)域開始開發(fā)等問題都直接影響到整個風(fēng)電場的裝機容量和效益[2]。本文根據(jù)實際工作過程中遇到的問題，結(jié)合一個具體工程實例對風(fēng)電場分期開發(fā)中的一些問題進行探討。

1 工程實例概況

本文以一個已建灘涂風(fēng)電場為例進行分析。該風(fēng)電場南北長約12.3km，東西寬約2.5km，風(fēng)電場呈南北長條形，場址內(nèi)海拔高程約3m～5m。一期、二期工程已經(jīng)建設(shè)完成，三期工程正在實施中。風(fēng)電場范圍內(nèi)及附近布置三個測風(fēng)塔1#、2#、3#。風(fēng)電場場址范圍及測風(fēng)塔位置圖見圖1。在同一個測風(fēng)年內(nèi)，1#測風(fēng)塔70m高度實測年平均風(fēng)速為6.96m/s，年平均風(fēng)功率密度為357.3W/m2；2#測風(fēng)塔70m高度實測年平均風(fēng)速為6.51m/s，年平均風(fēng)功率密度為300W/m2；2#測風(fēng)塔70m高度實測年平均風(fēng)速為7.04m/s，年平均風(fēng)功率密度為360W/m2。風(fēng)電場主風(fēng)向和主風(fēng)能方向都為N方向，SE、SSE方向次之。

一期風(fēng)電場位于場址西面，沿南北方向布置兩排；二期風(fēng)電場位于場址東面，沿南北方向布置一排；三期風(fēng)電場在一期、二期中間。一期、二期工程已經(jīng)完成，現(xiàn)在開展三期工程工作。在三期工作開展中發(fā)現(xiàn)幾個問題，現(xiàn)逐一進行探討并提出解決辦法。

2 風(fēng)電場風(fēng)能資源分析

在計算三期工程發(fā)電量時，為了考慮前兩期工程與本期工程風(fēng)電機組間的相互影響，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一期、二期已建工程風(fēng)電機組的尾流影響很大，有的風(fēng)電機組尾流達到17%以上。在實際工程中，風(fēng)電機組的尾流控制在10%左右。是不是第三期工程風(fēng)電機組布置之后才使前兩期工程風(fēng)電機組的尾流達到那么大的值？為解決這個疑問，單獨將一期、二期工程的風(fēng)電機組進行計算。結(jié)果顯示，有些風(fēng)電機組的尾流影響還是接近17%。為了弄清楚原因，設(shè)計人員將原先一期、二期工程設(shè)計的資料調(diào)出來查閱，結(jié)果分析如下。[3-4]

一期、二期風(fēng)電場風(fēng)能資源分析時采用的是1#測風(fēng)塔，按照原方案的計算，場址內(nèi)粗糙度值取0.15，場址東面粗糙度值取0.03，場址西面粗糙度值取0.2，采用專業(yè)軟件進行模擬，風(fēng)電場風(fēng)速分布等值線圖如圖2所示。場址內(nèi)平均風(fēng)速約為7.4m/s，2#測風(fēng)塔位置的平均風(fēng)速為6.92m/s，3#測風(fēng)塔位置的平均風(fēng)速為7.76m/s，推算出場址內(nèi)2#和3#位置的風(fēng)速分別比實測風(fēng)速高出6.2%和10.2%。在三期工程方案中，場址內(nèi)粗糙度值調(diào)整為0.1，場址東面調(diào)整為0.01，場址西面調(diào)整為0.15。采用專業(yè)軟件進行模擬，風(fēng)電場風(fēng)速分布等值線圖如圖3所示。2#測風(fēng)塔位置的平均風(fēng)速為6.70m/s，3#測風(fēng)塔位置的平均風(fēng)速為7.18m/s，2#和3#位置的風(fēng)速分別比實測風(fēng)速高出2.9%和2%。從上面的分析可以看出，三期調(diào)整后的計算結(jié)果更貼近實測值。

在原報告中，一期、二期工程中的風(fēng)電場尾流影響較小，整個場址平均尾流只有6.35%，而三期方案中，整個風(fēng)電場尾流影響達到12.5%左右。從上面的分析中可以看出，造成原報告中尾流影響小的主要原因是：在原方案評估中，風(fēng)電場場址風(fēng)能資源模擬計算時，整個風(fēng)電場的風(fēng)速偏大。

風(fēng)電場風(fēng)能資源分布是否準(zhǔn)確，直接影響風(fēng)電場風(fēng)電機組布置和尾流，進一步影響風(fēng)電場發(fā)電量的計算結(jié)果和風(fēng)電場經(jīng)濟效益[5]。在風(fēng)電場場址面積較大時，采用分期開發(fā)的風(fēng)電場，一般都立有兩座及以上的測風(fēng)塔。在《風(fēng)電場工程技術(shù)手冊》中規(guī)定的粗糙度值一般都在一個范圍內(nèi)，例如開闊狀態(tài)農(nóng)田到封閉狀態(tài)農(nóng)田的粗糙度值是0.05～0.1，封閉狀態(tài)農(nóng)田到多樹木或灌木的粗糙度值為0.1～0.2。手冊中的這種定義使得粗糙度的取值存在一定的不確定性。為了能夠準(zhǔn)確分析一個具體風(fēng)電場場址的風(fēng)能資源，通過以上分析得出，可以根據(jù)測風(fēng)塔同期實測數(shù)據(jù)對粗糙度值進行調(diào)整，可以有效降低粗糙度取值的不確定性。[6-7]

攝影：王太剛

圖1 風(fēng)電場范圍及測風(fēng)塔位置示意圖

圖2 風(fēng)速分布等值線圖 （原方案）

圖3 風(fēng)速分布等值線圖（三期方案）

3 風(fēng)電場分期順序

本文將依據(jù)工程實例，對如何進行合理的分區(qū)域開發(fā)提出一些看法。風(fēng)電場各期之間的相互影響主要體現(xiàn)在尾流上，同時還得兼顧升壓站的位置和地形條件。風(fēng)電機組布置尾流影響主要考慮的還是主風(fēng)向，沿主風(fēng)向尾流影響率較高。為了使后期的風(fēng)電機組布置對前期的影響最小，在風(fēng)電場前期開發(fā)時要兼顧后期風(fēng)電場。

在上述工程中，地形是南北條形狀灘涂區(qū)域，風(fēng)速是沿海向內(nèi)陸衰減。在場址建設(shè)中，一期工程位于場址西面，二期工程位于場址東面，三期工程是在一期、二期之間插建。一期、二期工程的開發(fā)雖然都盡可能靠近場址東西兩側(cè)邊沿布置，但沒有考慮到對后期的影響，且場址內(nèi)風(fēng)能資源評估風(fēng)速偏大，一期風(fēng)電場特別是二期風(fēng)電場的風(fēng)電機組間的間距較小，使得三期風(fēng)電機組間距只能布置偏大，才能使尾流影響較小。

在本工程中，二期工程區(qū)域為場址東面，在整個場址中，該區(qū)域風(fēng)速最大。在前期建設(shè)時只考慮到二期風(fēng)電機組間的相互影響，風(fēng)電機組的間距基本小于300m，雖然前期的風(fēng)電機組的間距基本能滿足該期風(fēng)電機組的尾流影響，但是由于第一排風(fēng)電機組布置太密，對第二排風(fēng)電機組風(fēng)速的影響加大。因此，在分期開發(fā)的風(fēng)電場進行風(fēng)電機組布置時，就應(yīng)該充分兼顧后續(xù)風(fēng)電機組與本期風(fēng)電機組之間的相互影響。最理想的狀態(tài)就是，對整個風(fēng)電場進行綜合布置，然后根據(jù)各期的總?cè)萘窟M行分區(qū)域分期開發(fā)。

4 結(jié)論

風(fēng)電場分期開發(fā)只是在工程建設(shè)中的一種策略，風(fēng)電場建設(shè)的最終目標(biāo)是追求效益最大化。因此，在建設(shè)初始階段就應(yīng)該對風(fēng)能資源分析和風(fēng)電機組布置進行統(tǒng)籌規(guī)劃。從目前的工程建設(shè)經(jīng)驗來看，測風(fēng)塔之間數(shù)據(jù)的相互驗證能準(zhǔn)確評估整個風(fēng)電場風(fēng)能資源分布。初始階段整體布置風(fēng)電機組，綜合考慮，能夠使整個風(fēng)電場發(fā)電量最大化。

[1] 中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會[N].2012-4-6.

[2] 宮靖遠.風(fēng)電場工程技術(shù)手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 彭秀芳, 李劍鋒.地形粗糙度線范圍對風(fēng)電場計算的影響[J].電力勘測設(shè)計, 2012(4): 70-73.

[4] 彭秀芳等.海上風(fēng)電場風(fēng)能計算中關(guān)于海面粗糙度問題的探討[J].太陽能學(xué)報,2 012,33(2).

[5] 蘇勛文, 趙振兵等.尾流效應(yīng)和時滯對風(fēng)電場輸出特性的影響[J].電測與儀表, 2010,47(3):28-31.

[6] 過節(jié)等.太平洋海面粗糙度的計算及波長的提取[J].海洋湖沼通報,2007(1):24-29.

[7] 斯塔爾R B.邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論[M].青島: 青島海洋大學(xué)出版社, 1991.